Binaan Asas Teori Kuantum

*Diterjemah dari PHYSICS TODAY bersempena 90 tahun jurnal Reviews of Modern Physics (RMP)*.

  Sumber:  Physics Today 72, 2, 50 (2019); https://doi.org/10.1063/PT.3.4141

“Lebih dari seabad selepas kelahiran mekanik kuantum, para fizikawan dan ahli falsafah masih terus memperdebatkan apakah sebenarnya yang dimaksudkan oleh ‘penyukatan’ (dalam teori kuantum)”.

 

Bidang maklumat dan pengkomputeran kuantum kadangkala dinisbahkan sebagai bidang binaan asas kuantum gunaan. Demikian halnya, kerana telah banyak idea yang muncul pada peringkat awal pengenalan kepada bidang ini, apabila para saintis mula memikirkan secara mendasar mengenai misteri-misteri teori kuantum yang sering diperdebatkan seperti  (fenomena) keterbelitan (kuantum), ketidakpatuhan ketaksamaan Bell, konsep alam-alam selari, kebarangkalian interferens, dan kontekstual kuantum, yang kini telah dilihat sebagai sumber  teori yang berguna dalam pemprosesan maklumat yang tidak terbayangkan dalam fizik klasik. Dalam aspek ini, Reviews of Modern Physics (RMP) bukan hanya meransang bidang baharu ini menjadi bidang yang dikenali, tetapi juga bertanggungjawab dalam membina asas-asas kefahaman kepada teori kuantum itu sendiri.

 

Makalah yang paling penting mengenai binaan asas teori kuantum yang telah muncul dalam halaman RMP, juga merupakan makalah yang pertama, berjudul ‘Pendekatan ruang-masa dalam mekanik kuantum tak-berkenisbian”[1] oleh Richard Feynman pada tahun 1984. Idea Feynman yang masyhur ialah dengan memperkenalkan kaedah kamiran lintasan yang menjelaskan tentang sempadan di antara fizik klasik dan kuantum. Antara isu yang diketengahkan olehnya ialah bagaimana kebarangkalian bagi keputusan, dalam suatu sistem, yang diperolehi daripada penyukatan sebenar dihitung apabila kebarangkalian daripada penyukatan yang tidak dijalankan ke atas suatu sistem diketahui.

 

 Penyelesaian Feynman adalah dengan memperkenalkan kalkulus amplitud, tetapi pernyataan asas yang menjadi landasan hujahnya adalah jelas iaitu Kita [sebagai pencerap] akan membuat kesimpulan bahawa ‘[suatu sistem] B mempunyai nilai [tentu],’ dan ini hanya akan berlaku jika kita menyukat [sistem] B”.

Teori Pembolehubah Tersembunyi

Selain itu, mungkin terdapat cara lain untuk mengekalkan anggapan bahawa penyukatan (bagi suatu sistem) yang tidak dijalankan itu mempunyai nilai tentu yang tidak dapat dicerap. Hal ini mungkin boleh berlaku dengan cara mengabaikan sebahagian intuisi klasik yang kurang diraikan. Perbincangan mengenainya telah terbit dalam tiga siri makalah, yang dianggap telah memecahkan konsep-konsep asas (kuantum), dalam jilid RMP pada tahun 1966 [2-4]. Pada tahun 1952, David Bohm telah mengusulkan teori pembolehubah tersembunyi yang pertama bagi teori kuantum tak-berkenisbian [5]. Dia berhujah bahawa zarah tunggal tidak berspin sebenarnya mungkin boleh diperagakan sebagai sesuatu yang mempunyai kedudukan dan momentum prawujud berbanding dakwaan Niels Bohr mengenai konsep ‘keterlengkapan’ tajaannya. Malah sebenarnya ramai penyelidik, dalam tempoh tahun-tahun kebelakangan ini, telah membuktikan bahawa terdapat banyak kaedah untuk memperbaiki teori kuantum dengan teori pembolehubah tersembunyi.  Sebenarnya dalam konteks ini David Bohm dan Jeffrey Bub telah menulis dalam RMP tentang salah satu kaedahnya [3]. Salah satu faktornya adalah kerana mereka mengharapkan bahawa intuisi mereka tentang model-model teori pembolehubah tersembunyi yang baharu itu dapat membawa kepada lahirnya fizik yang baharu.

 

Namun pada tahun 1952, seorang anak muda, John S. Bell, telah berfikir dengan renungan yang mendalam tentang hal ini dan bertanya, “Bagaimanakah hal ini boleh berlaku?”  Manakala, John von Neumann telah pun ‘membuktikan’ dalam tempoh tahun-tahun sebelumnya bahawa ketidakmungkinan wujud teori pembolehubah tersembunyi dalam teori kuantum. Makalah Bell, yang secara tidak sengaja telah tersimpan selama dua tahun di pejabat lembaga penyuntingan! [2], dan makalah Bohm dan Bub itu telah pun menanggapi persoalan tersebut kemudiannya. Secara umumnya, dapat disimpulkan bahawa teorem von Neumann, dan penambahbaikkannya kemudian itu, adalah terletak di atas andaian-andaian yang terlalu ketat yang menatijahkan bahawa pelbagai model teori pembolehubah tersembunyi, akhirnya, adalah lebih kurang sama. Dalam konteks ini perkara yang paling menonjol sekali adalah pada sepotong ayat akhir dalam makalah Bell iaitu “Ianya akan menjadi lebih menarik untuk meneruskan lagi ‘pembuktian ketidakmungkinan’ [dalam teorem von Neumann] bagi menggantikan sebarang aksiom yang [saya] menyanggahnya… dengan beberapa syarat [iaitu] kesetempatan atau kebolehpisahan jarak bagi suatu sistem”. Malah, Bell telah menyelesaikan persoalan tersebut pada tahun-tahun kerancuannya dengan menyimpulkan bahawa ‘tiada model teori pembolehubah tersembunyi setempat dalam penghasilan semula statistik dalam teori kuantum’. Dengan erti kata lain, model teori pemboleh ubah tersembunyi yang berjaya mestilah mengandungi konsep yang dijuluki oleh Albert Einstein sebagai ‘tindakan sesaujana yang meremangkan’.

 

Adakah konsep kesetempatan yang kurang diraikan itu akan menyerah kalah kepada idea mengenai penyukatan yang tidak dijalankan ke atas suatu sistem mempunyai nilai tentu prawujud (tetapi belum dapat dicerap)? Einstein pada tahun 1948 telah menyanggahnya dengan begitu jelas dengan menyatakan, “Tanpa suatu andaian mengenai kewujudan yang saling tidak bersandar [iaitu] dari hal-hal yang berjauhan…. [maka] pemikiran [alam] jasmani dalam erti kata biasa kepada kita adalah tidak mungkin [wujud]. Tidaklah seseorang dapat mencerap bagaimana hukum-hukum [alam] jasmani [yang] dapat dirumuskan dan diuji, tanpa pemisahan yang jelas” [6]. Pada tahun-tahun selepas Bell, perkara tersebut mempunyai kemajuan yang mendadak, kemuncaknya adalah 45 tahun selepas pernyataan Einstein itu, dengan salah satu daripada perbincangan yang paling mengkagumkan dan menyeluruh iaitu melalui analisis yang dilakukan oleh David Mermin, yang telah terbit dalam RMP, mengenai penemuan baharu tiga-zarah paradoks Greenberger-Horne-Zeleinger (GHZ) [7].

 

Menyukat dari Maklumat

 

Dalam konteks binaan asas teori kuantum, dengan memenuhi konsep tindakan sesaujana yang meremangkan, keputusan daripada penyukatan yang tidak dijalankan adalah sama ada ianya berhasil atau pun tidak. Persoalan yang perlu ditanyakan ialah apakah ada pilihan lain selain daripada keduanya? Mungkinkah penyukatan yang tidak dijalankan itu boleh menghasilkan kesemua keputusan (cerapan)? Dengan keanehan yang wujud dalam teori kuantum, persoalan-persoalan tersebut juga telah buat pertama kalinya dibincangkan dalam beberapa halaman dalam RMP terutamnya melalui makalah berpengaruh tentang tafsiran banyak alam yang diusulkan oleh Hugh Everett III [8]. Idea Everett adalah mengenai alam semesta yang mematuhi persamaan Schrodinger secara umum, dan tiadanya istilah ‘penyukatan’ secara asasinya yang perlu ditekankan. Ini kerana yang wujud hanyalah interaksi  jasmani sesuatu sistem fizik yang dapat diterjemahkan melalui  persamaan Hamiltonan (iaitu jumlah tenaga mekanikal daripada persamaan Schrodinger tadi) bagi alam semesta. Justeru, interaksi ini menatijahkan bahawa alam semesta adalah bersifat selanjar yang tercabang-cabang kepada alam-alam yang selari.

 

              Selain itu, John Wheeler dalam makalah sokongannya kepada Everett itu juga menghujahkan  bahawa antara perkara yang menarik tentang tafsiran banyak alam adalah ia seperti menawarkan suatu jalan bagi pengkuantuman teori kenisbian am [9]. Namun, tafsiran Everett tidak terlepas daripada beberapa masalah asasi. Antara yang paling jelas adalah bagaimana seseorang boleh mentahkikkan kalkulus kebarangkalian tertentu dalam teori kuantum daripada gambaran kasarnya. Sejak 1957, sejumlah penyelesaian yang berbeza dan berkeupayaan telah diusulkan bagi masalah asasi tersebut tetapi masih tiada ijmak yang membenarkannya. Dalam hal ini RMP juga telah memainkan peranannya dalam membahaskan masalah ini iaitu dengan menerbitkan analisis yang mendalam mengenai konsep nyahkoherens dalam teori kuantum oleh Wojciech Zurek [10].

 

              Wheeler sendiri akhirnya menghadapi masalah dengan tafsiran Everett [11], tetapi pengaruh yang dia perolehi terhadap kesemua tafsiran kuantum agak menarik dengan gaya yang tersendiri. Wheeler adalah pembimbing tesis DFal. kepada Feynman dan Everett semasa mereka menjalankan penyelidikan asas, dan Zurek pula adalah penyelidik pasca kedoktoran di bawah bimbingannya. Dalam jangka masa 25 tahun terakhir kehidupannya, Wheeler telah terperangkap dalam persoalan-persoalan yang mendalam dan aneh. Dia sangat ingin tahu untuk menjawab satu persoalan, ‘mengapa kuantum?’ dan dia cuba menerka bahawa apa jua jawapannya, ia mestilah ‘teori-maklumat warna’.

 

              Sebenarnya dari perspektif Wheeler, dia tidak bertanggungjawab terhadap kelahiran bidang maklumat kuantum. Tetapi, salah seorang daripada kami, iaitu Fuchs, cukup bernasib baik kerana dapat bekerja di bawah bimbingan Wheeler pada masa itu, yang mendorong kepada usahanya untuk memikirkan mengenai konsep keadaan kuantum secara tekal dan subjektifnya sebagai suatu teori maklumat. Pada akhirnya, ia membawa kepada lahirnya tafsiran kuantum yang dikenali sebagai Bayesianisme kuantum atau ringkasnya QBism, yang juga telah membuat penampilan dalam RMP [12]. Antara perkara yang membezakan QBism daripada tafsiran-tafsiran kuantum yang lain adalah tahap kebergantungannya kepada butiran teknikal maklumat kuantum. Hal ini kerana ia mengukuhkan lagi pandangan Feynman mengenai pengubahsuaian kalkulus kebarangkalian dalam teori kuantum yang menunjukkan bahawa sesuatu yang baharu dicipta dalam alam semesta ini adalah dengan setiap satunya berkait rapat dengan proses penyukatan kuantum. Hanya dengan menggunakan formulasi maklumat kuantum kita akan dapat penjelasan yang lugas. (Lihat perbahasan oleh N. David Mermin dalam PHYSICS TODAY, Julai 2012, hal. 8)

 

              Oleh itu, dengan contoh tafsiran QBism, seseorang mungkin tertanya-tanya sama ada bidang binaan asas kuantum adalah bidang ‘maklumat kuantum gunaan’ atau sebaliknya. Jadi, bidang tersebut terus-menerus diperbincangkan. Walau apa pun hala tuju dalam penyelidikan binaan asas kuantum pada masa hadapan, sejarah merakamkan bahawa RMP tetap utuh untuk menerbitkan makalah-makalah yang berwibawa dan mendalam perbahasannya terhadap bidang tersebut.

 

 

Rujukan

  1. R. P Feynman, Rev. Mod. Phys. 20, 367 (1984).
  2. J.S Bell, Rev. Mod. Phys. 38, 447 (1966).
  3. D. Bohm, J. Bub, Rev. Mod Phys. 38, 453 (1966).
  4. D. Bohm, J. Bub, Rev. Mod Phys. 38, 470 (1966).
  5. D. Bohm, Phys. Rev. 85, 166 (1952)
  6. A. Einstein, Dialectica 2, 320 (1984); petikan terj. Dlm. D. Howard, Stud. Hist. Philos. Sci. Part A 16, 171 (1985), hal.187.
  7. N. D Mermin, Rev. Mod. Phys. 65, 803 (1993).
  8. H. Everett III, Rev. Mod. Phys. 29, 454 (1957).
  9. J. A Wheeler, Rev. Mod. Phys. 29, 463 (1957).
  10. W.H Zurek, Rev. Mod. Phys. 75, 715 (2003).
  11. J. A Wheeler, dlm. Quantum Mechanics, a Half Century Later, J. Leite Lopes, M. Paty, pnyt., Reidel (1977), hal. 1.
  12. C. A Fuchs, R. Schack, Rev Mod. Phys. 85, 1698 (2013).
Kongsikan artikel ini: